大型砂石加工系統(tǒng)篩分樓動力計算難點分析

吳 皓,陳必焰

(1.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司, 湖南 長沙 410014;2.中南大學 地球科學與信息物理學院, 湖南 長沙 410006)

篩分車間作為砂石加工系統(tǒng)中不可或缺的重要構(gòu)筑物,具有篩選和分級的功能.近年來,隨著砂石加工系統(tǒng)開采能力的增強,為節(jié)省用地,系統(tǒng)采用垂直式作業(yè)工藝,篩分車間實現(xiàn)同一樓層布置多臺篩分設(shè)備、多樓層的空間布置.篩分樓內(nèi)安裝有一系列動力設(shè)備,形成多個振動源,產(chǎn)生一系列頻率不同的動力荷載,使篩分樓的振動問題十分復(fù)雜[1].目前針對多層鋼筋混凝土篩分車間的振動問題并沒有統(tǒng)一、適用的計算方法.本文針對某大型砂石加工系統(tǒng)分級篩分車間的結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)以及振動控制進行研究,對多層鋼筋混凝土篩分車間的動力計算提出幾點思考,供類似工程設(shè)計參考.

1 工程概況

某大型砂石加工系統(tǒng)設(shè)計小時處理能力為5000 t/h,由于場地狹小,工藝布置將篩分系統(tǒng)集中于篩分樓中.篩分樓支承12臺2 YKg3060 WGAT圓振動篩、12臺3 YKQ3673－AT圓振動篩和16條帶式輸送機,沿中心線軸對稱布置.雙層篩2 YKg3060 WG－AT圓振動篩放置在342.500 m高程的框架平臺上,三層篩3YKQ3673－AT放置在350.500 m高程的框架平臺上,和358.800 m高程用于固定除塵管和檢修設(shè)備的平臺,形成三層框架結(jié)構(gòu).在篩分設(shè)備主框架外側(cè)346.600 m高程架設(shè)平臺,每側(cè)放置3條帶式輸送機.左右對稱的結(jié)構(gòu)通過339.900 m高程的帶式輸送機平臺、350.500 m高程的檢修平臺和358.800 m高程的檢修平臺進行連接,另外365.450 m高程設(shè)置鋼平臺用于固定大溜槽和6條帶式輸送機,357.2 m高程兩側(cè)設(shè)置安排檢修吊裝的32 t橋式起重機.其中,主框架結(jié)構(gòu)根據(jù)工藝要求,沿設(shè)備篩分方向柱距為8 m,垂直方向柱距為7 m,第一層層高為5 m,第二層層高為8 m,第三層層高為8.3 m,框架平面尺寸、層高均超出常規(guī)砂石系統(tǒng)篩分車間建議尺寸[2],見圖1.

圖1 分級篩分車間結(jié)構(gòu)布置

2 動力設(shè)計難點分析

目前關(guān)于有振動作用的工業(yè)廠房的動力計算并無統(tǒng)一的方法,且相關(guān)問題的研究文獻較少,通常采用經(jīng)驗公式法對簡化的構(gòu)件進行頻率計算,或通過有限元方法對結(jié)構(gòu)進行整體建模計算,判斷是否出現(xiàn)共振現(xiàn)象,然后計算運行期間結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點的動位移,在此基礎(chǔ)上確定是否進行構(gòu)件的疲勞計算.

2.1 結(jié)構(gòu)布置

由于框架結(jié)構(gòu)傳力路徑簡單、明確,荷載通過水平結(jié)構(gòu)體系傳給豎向結(jié)構(gòu)體系,直至傳到基礎(chǔ),因此多層振動構(gòu)筑物多采用框架結(jié)構(gòu),以抵抗振動荷載[2].因此,本工程采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu).

根據(jù)工藝要求,本工程篩分樓內(nèi)圓振動篩2YKg3060 WG－AT和3YKQ3673－AT沿結(jié)構(gòu)的軸對稱左右各1臺,共4臺為1組,共6組,每組設(shè)備同時運行,獨立檢修.單組設(shè)備框架平面尺寸為8 m×7 m,按照?混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范?GB50010－2010中對露天條件下現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)置伸縮縫的要求,最大間距為35 m,需要對本工程篩分樓進行分縫處理.

由于本工程中有2種不同型號的圓振動篩在正常工作時同時運行,會同時形成多個振動源,且頻率不同,因此計算時需要對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點的振幅合成方法進行分析.對工業(yè)廠房在多臺動力設(shè)備的不同擾力作用下,目前沒有通用的方法計算結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點的合成振幅.?建筑工程振動手冊?[3]中對不多于4臺動力設(shè)備時,采用簡單相加的方法;?動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范?GB50040－96[4]中無論頻率是否相同,都看作隨機現(xiàn)象,進行振動分量的合成;對于多個一諧擾力或多個二諧擾力的振動合成,相當于直接相加.因此,設(shè)置2條伸縮縫.同時由于該地區(qū)的地震烈度是7度(0.1 g),因此采用伸縮縫、抗震縫、沉降縫三縫合一的做法,將篩分樓分為3個獨立結(jié)構(gòu),每個獨立結(jié)構(gòu)中一側(cè)的動力設(shè)備控制為4臺.

2.2 三維模型簡化

選取一個獨立框架結(jié)構(gòu)進行有限元方法建模,并設(shè)置相關(guān)參數(shù)進行計算.采用三維實體單元建模,約束條件為結(jié)構(gòu)柱端定義為固端約束,板與梁為剛性連接,梁與柱也為剛性連接.采用彈性分析,符合虎克定律,彈性模量取值為32.5 GPa,泊松比取值為0.2,材料密度取值為2600 kg/m3.

篩分樓內(nèi)動力設(shè)備運行時受載荷復(fù)雜,不僅包含動力設(shè)備的自重及動載荷,還需承受除塵設(shè)備的自重及臨時檢修平臺自重等荷載.由于結(jié)構(gòu)承受靜載不會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振幅,因此在動力計算分析時僅輸入圓振動篩產(chǎn)生的動載荷(見圖2).

多臺振動設(shè)備同時運行時,通常存在不同相位差.通過對類似鋼筋混凝土框架篩分樓進行敏感度分析,認為所有設(shè)備同時開啟,保持一定相位差運行時,對結(jié)構(gòu)的影響最不利.因此對結(jié)構(gòu)進行簡化,假定所有設(shè)備同時開啟,沿軸對稱同側(cè)的3 YKQ3673－AT圓振動篩相位差為0°,同時與同側(cè)的2 YKg3060 WG－AT圓振動篩相位差為180°.

2.3 動力計算

實際工程中,工業(yè)廠房的豎向振動問題多為廠房樓蓋的豎向振動.低頻動力設(shè)備會引起工業(yè)廠房的水平振動問題,中頻動力設(shè)備會引起樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動,本工程中圓振動篩的工作頻率為13.3,14 Hz和16.7 Hz,根據(jù)工程經(jīng)驗,基本上不會引起廠房的水平低頻振動問題[5].篩梁作為振動設(shè)備直接作用的水平結(jié)構(gòu)體系,在利用有限元軟件進行計算時,也需要選取關(guān)鍵點,進行動位移定量計算.本工程通過有限元方法對結(jié)構(gòu)進行建模計算,以獲得結(jié)構(gòu)準確的動力響應(yīng)參數(shù),計算得到的結(jié)構(gòu)豎向位移云圖見圖3.

圖2 動力荷載布置

圖3 豎向位移云圖

在不同振型階數(shù)下,由有限元計算得到板在關(guān)鍵點處的豎向動位移與篩梁在關(guān)鍵點處的豎向動位移,見表1和表2.由表1與表2可知,當選取振型階數(shù)為60階計算時,豎向動位移是偏于保守的.

表1 板在關(guān)鍵點處的豎向動位移 /mm

表2 篩梁在關(guān)鍵點處的豎向動位移/mm

2.4 有限元成果分析

?水利水電工程施工組織設(shè)計手冊(第五卷):結(jié)構(gòu)設(shè)計?中給出了篩分樓樓面允許振幅值如表3所示.頻率為14.17 Hz對應(yīng)850次/min;頻率為16.17 Hz對應(yīng)970次/min.

表3 板在關(guān)鍵點處的豎向動位移 /mm

樓板除了在關(guān)鍵點處的位移達到0.1010 mm,在其余關(guān)鍵點處的最大豎向位移為0.0524 mm,均小于?水利水電工程施工組織設(shè)計手冊(第五卷):結(jié)構(gòu)設(shè)計?所建議的值.板在關(guān)鍵點的豎向位移超過了妨礙工作的位移限值,但是沒有超過長期作用下的有害位移限值.

?水利水電工程施工組織設(shè)計手冊(第五卷):結(jié)構(gòu)設(shè)計?中明確指出:當計算得出的梁跨內(nèi)最大動位移(不計入柔性支座之動位移)小于梁跨的1/40000時,可以不進行疲勞強度驗算.由于該工程篩梁的跨度為8 m,因此當梁跨內(nèi)的最大動位移小于0.2 mm時可以不進行疲勞驗算.通過表3數(shù)據(jù),不難發(fā)現(xiàn),篩梁跨中最大位移為0.0992 mm,小于0.2 mm,因此該工程可以不進行疲勞強度驗算.

3 結(jié) 論

(1)目前關(guān)于有振動作用的工業(yè)廠房的動力計算并無統(tǒng)一的方法,可先對篩分樓進行定性分析,合理選擇篩分樓結(jié)構(gòu)型式,確定計算模型,再利用有限元軟件對結(jié)構(gòu)整體和局部進行動力計算,對關(guān)鍵點的動位移進行定量計算.

(2)多臺振動設(shè)備的篩分車間,需考慮多個振源間的相互影響,在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,可通過對結(jié)構(gòu)進行分縫處理減少單個結(jié)構(gòu)內(nèi)振動設(shè)備的臺數(shù),減弱多臺設(shè)備振動對篩分車間結(jié)構(gòu)的不利影響.

(3)通過對多層鋼筋混凝土篩分樓動力特性參數(shù)的有限元分析,從計算成果可預(yù)測工業(yè)廠房的振動情況,為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有利參考意見.

[1] 李小可.多層鋼筋混凝土篩分車間振動問題的一般處理方法[D].西安:西安建筑科技大學,2015.

[2] 中國工程建設(shè)標準化協(xié)會建筑振動專業(yè)委員會.建筑振動工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[3] 黃啟平.五強溪水電站人工砂石系統(tǒng)篩分樓設(shè)計體會[J].中南水電,2011,53(2):55G58.

[4]GB50040－96.動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 韓勇軍.煤炭篩分樓的振動篩擾力結(jié)構(gòu)研究[J].煤炭與化工,2016,39(11):117G121.